答：

發(fā)展工業(yè)的傳統(tǒng)方法是投入一些資金以建設(shè)新廠或增加設(shè)備，增加原料投入和增加人力以達到增產(chǎn)目的，然而這種粗放經(jīng)營的方式在工業(yè)生產(chǎn)中已證明其局限性，特別是在激烈的市場競爭中無論價格和質(zhì)量部無法取勝。故從60年代開始，西方國家就開始對工業(yè)進行改造，特別是重工業(yè)和大型廠礦，除組織合理化以外，主要靠技術(shù)進步，即新設(shè)備、新工藝和自動化及計算機應(yīng)用，而使各類工業(yè)飛速發(fā)展，且朝高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多品種和節(jié)能降耗以及低成本方向發(fā)展。由于自動化及計算機應(yīng)用不僅節(jié)省人力，更重要的是把工藝參數(shù)嚴(yán)格控制在規(guī)定值、監(jiān)控生產(chǎn)過程，甚至不斷的自我思考而使工藝過程優(yōu)化，達到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能降耗和降低成本，而且能生產(chǎn)過去不能生產(chǎn)的產(chǎn)品，故自動化及計算機應(yīng)用不僅是工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志，而且是生產(chǎn)必需和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因此世界各國都努力發(fā)展工業(yè)自動化。到目前為止，工業(yè)自動化已如圖1所示的我級計算機自動化系統(tǒng)，雖然大多數(shù)工業(yè)，特別是中小企業(yè)大都只裝備基礎(chǔ)自動化級和過程自動化級，但這種計算機集成制造(CIMS)結(jié)構(gòu)已成為工業(yè)自動化的標(biāo)準(zhǔn)形式。在美、歐、日等發(fā)達國家，其大型企業(yè)和跨國公司大都實行CIM和CIP技術(shù)，然而這種方法需要大量資金，是一種高投資、高效益但同時是高風(fēng)險的發(fā)展模式，很難為大量的中小企業(yè)所采用，故運去這些中小企業(yè)，甚至一些大型企業(yè)往往只實行基礎(chǔ)自動化，然而實踐證明僅有基礎(chǔ)自動化雖然也收到一定效果，但仍然難以滿足生產(chǎn)要求，特別是過程自動化，其優(yōu)化、監(jiān)控、預(yù)報等功能更是必不可少和能取得重大經(jīng)濟效益的重要環(huán)節(jié)，然而傳統(tǒng)的使用VAX型計算機甚至使用Alpha型小型機構(gòu)成的過程自動化級，其昂貴的硬件和系統(tǒng)軟件以及應(yīng)用軟件編程的費用也令人望而卻步。

此外，為提高效率和取得重大經(jīng)濟效益，中小企業(yè)也要裝備管理自動化級。就是只實行基礎(chǔ)自動化，對PLC或工控機也面臨：

○ 要求降低成本；

○ 增加靈活性；

○ 增加診斷功能以提高可維護性；

○ 縮短程序開發(fā)時間和降低其費用，這就要求實現(xiàn)LCA(低成本自動化)系統(tǒng)。

低成本自動化的概念

什么是LCA(低成本自動化)？很難有確切的定義，但其本質(zhì)上是針對中小企業(yè)或某些

準(zhǔn)大型企業(yè)，因為大型機組如鋼鐵工業(yè)的5000立方米高爐、300t轉(zhuǎn)爐、1900mm連鑄機、2050mm板帶熱連軋機和5000mm中厚板軋機等，雖然也要求價廉物美的自動化系統(tǒng)，但無論企業(yè)產(chǎn)值、效益，對自動化的要求及允許投資占總設(shè)備投資的百分?jǐn)?shù)，對裝備完善的自動化系統(tǒng)是不會有問題的(當(dāng)然，近年來這些機組也采用部分LCA技術(shù)了)，此外也不能把什么都算低成本自動化或什么自動化都是低成本的，否則將會得出錯誤的概念而不利于實現(xiàn)低成本自動化。

低成本自動化廣義的概念是：

○ 其投資可以達到或增加產(chǎn)量或改善質(zhì)量、節(jié)能和降耗目的，并可使資金在1-2年內(nèi)回收，一般占設(shè)備總投資的7-12%；

○ 低成本自動化必須是緊湊的、功能是必需的、可用性是良好的； 

○ 低成本自動化抽粗后，其功能投入率應(yīng)在95%以上；

○ 低成本自動化必須是易維護的且維護費用是較低的，工作是可靠的，在線 率應(yīng)在95%以上；

○ 低成本自動化的投入產(chǎn)出比應(yīng)是顯著的，應(yīng)為1：3-5若以投資在1-2年內(nèi)回收，則設(shè)備壽命應(yīng)為在5-8年； 

○ 低成本自動化投資應(yīng)有個相對上限值，在新建廠礦應(yīng)低于一般規(guī)定的占總設(shè)備總投資的百分比，對特殊項目應(yīng)遠低于省市權(quán)限批準(zhǔn)的資金范圍內(nèi)。

低成本自動化的范圍

低成本自動化的范圍原則上包括ISO的CIMS標(biāo)準(zhǔn)六級功能，有人認(rèn)為LCA應(yīng)針對基礎(chǔ)自動化，這種觀點不僅是錯誤的而且是有害的，特別是新建廠礦，自動化項目的委托及內(nèi)容往往由工藝人員或主管人員所決定，為節(jié)省投資而削減過程自動化，而導(dǎo)致甚至90年代末新建廠礦遠低于世界先進水帄，且影響產(chǎn)品質(zhì)量和成本。如上所述，過程自動化能實現(xiàn)優(yōu)化、監(jiān)控、預(yù)報等功能，是必不可少和能取得重大經(jīng)濟效益的重要環(huán)節(jié)。濟鋼30立方米小高爐實現(xiàn)過程自動化，裝備監(jiān)控和多目標(biāo)優(yōu)化和爐況綜合判斷功能而取得增效益234萬元的良好的經(jīng)濟效益就是一例。

國外對CIMS的發(fā)展，不僅大型企業(yè)適用，而且出現(xiàn)中小規(guī)模的CIMS，后者就是LCA的范疇，不過裝備不同，功能稍弱而己，對這種觀點，國內(nèi)不少持異議，然而美國DEC公司和UCE公司在十多年前就介紹了大、小兩種鋼鐵廠的CIMS，后者在CHAPARREL廠的實現(xiàn)支持了本文的觀點。特別是近年來，工控機的性能大大提高，無論內(nèi)存、快速性和低價格以及支持軟件的低價都將為LCA的CIMS系統(tǒng)創(chuàng)造條件。

關(guān)于資金回收期的計算

經(jīng)濟效益和資金回收期計算對低成本自動化是一個重要問題，因為往往由于效益過高而被認(rèn)為夸張而失去對自動化的信任。根據(jù)我們的經(jīng)驗，比較準(zhǔn)確的資金回收期計算使用下列公式是適宜的：

其中，自動化系統(tǒng)基建投資包括設(shè)備費、安裝費和運雜志；年維護費應(yīng)包括備件、材料等費用；維護人員年創(chuàng)經(jīng)濟效益可按工廠人均利潤計算。

低成本自動化的實現(xiàn)

設(shè)計低成本自動化系統(tǒng)的本質(zhì)是精打細(xì)算，從功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件、軟件、數(shù)學(xué)模型、經(jīng)濟效益以及投入產(chǎn)出等各個方面綜合考慮來進行選擇，設(shè)計低成本自動化系統(tǒng)時，下列幾個問題是應(yīng)重點考慮的：

功能的決定

由于功能影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件規(guī)模，因而是影響系統(tǒng)投資的關(guān)鍵因素。往往認(rèn)為要省錢就削減功能，僅僅設(shè)計某些參數(shù)檢測和控制就可以了，其實由于未能滿足生產(chǎn)要求，造成直接經(jīng)濟損失比之增加自動化投資要大得多，許多自動化系統(tǒng)剛投產(chǎn)就要改造，到了21世紀(jì)還是一個很落后的系統(tǒng)而難以滿足生產(chǎn)所需。故低成本自動化系統(tǒng)的功能應(yīng)該是：滿足生產(chǎn)需要的、關(guān)鍵的、必要的和有效益的，要考慮需要性、可能性和先進性等各個方面。

在國際上，在激烈的市場競爭中取勝的關(guān)鍵是采用新技術(shù)，自動化系統(tǒng)也是這樣，德國西門子公司、日本日立制作所都是標(biāo)榜：“不斷以新技術(shù)為社會服務(wù)”。調(diào)查研究表明，國外工業(yè)自動化的進展或從國外引進的先進自動化系統(tǒng)也不外是在過去的功能加上一些先進控制的功能。以鋼鐵工業(yè)的高爐自動化為例，不外是在常規(guī)系統(tǒng)加上人工智能預(yù)報、更多的數(shù)學(xué)模型以及一些專門顯示。芬蘭向我國出口多套這樣的系統(tǒng)就已要價數(shù)百萬美元。因此可以認(rèn)為：

常規(guī)自動化系統(tǒng)+先進控制=國際先進水平

廣義的先進控制包括智能控制、數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用、預(yù)測控制、H理論和現(xiàn)代控制理論等應(yīng)用。此外，由于資金所限，往往認(rèn)為只能作些簡單的功能，其實，如果想辦法，也完全有可能達到先進的水帄。筆者從事某玻璃廠的大修自動化工程，其有限資金只能勉強作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，我們在數(shù)據(jù)采集做好監(jiān)控功能外，裝進一個帄板玻璃配料模型，且實行玻璃成份預(yù)報，此外還裝設(shè)玻璃質(zhì)量缺陷原因診斷專家系統(tǒng)，而使一個簡單的數(shù)采系統(tǒng)變成一個具有先進水帄的系統(tǒng)，而且很實用和解決問題。因為，配料對玻璃成份和質(zhì)量有很大的影響，而人工計算原料成分的變化很費時，而計算機運算則可瞬間完成，它還可預(yù)測出帄板玻璃的化學(xué)成份，使用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，輸入生產(chǎn)工藝參數(shù)后，

可預(yù)測玻璃的物理參數(shù)和機械性能，而常規(guī)生產(chǎn)則要等幾個小時，直到玻璃生產(chǎn)出來并檢測后才能知道，但已經(jīng)是無法調(diào)整了，更無法調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)以強化生產(chǎn)，這種用模型和人工智能的質(zhì)量預(yù)測是近年來國外發(fā)展起來的新技術(shù)，已在各個工業(yè)部門應(yīng)用，過去是用統(tǒng)計方法預(yù)測成品的物理參數(shù)，但對太多的工藝參數(shù)就很困難了，而神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)則無問題。此外，玻璃質(zhì)量缺陷種類很多，原因也很多，不易確定，而玻璃質(zhì)量缺陷原因診斷專家系統(tǒng)則可使沒有經(jīng)驗的操作員也可達到專家水帄。又例如，在設(shè)計某給水站自動化系統(tǒng)時，傳統(tǒng)的系統(tǒng)是監(jiān)測、越限報警等功能，但為了保證最遠點用戶供水和水壓，給水站出口水壓和泵的使用臺數(shù)還得根據(jù)用水情況、負(fù)荷情況、氣候、白天或黑夜而不同，而需要人工經(jīng)常調(diào)整，為此我們加上一個專家系統(tǒng)，把上述規(guī)律寫成規(guī)則，由專家系統(tǒng)控制，這樣一來，不僅大大提高了自動化系統(tǒng)的水帄，而且可實現(xiàn)無人化，改善了控制質(zhì)量，用戶滿意，節(jié)省電能，因而帶來重大的經(jīng)濟效益，同時也為自動化系統(tǒng)帶來更高的附加值。

有人認(rèn)為使用先進控制，例如使用專家系統(tǒng)很難，其實不然，根據(jù)作者的經(jīng)驗，只要長期不懈致力于專家系統(tǒng)的開發(fā)，方法正確，深入研究工藝知識(事實上許多工藝機組，如爐窯、軋機，其理論基礎(chǔ)都相差無幾，只是與產(chǎn)品和工藝流程不同而有些差別)和了解專家系統(tǒng)知識和善于使用開發(fā)工具，積累資料，開發(fā)一個專家系統(tǒng)是不大困難的，表1示出了作者開發(fā)的幾個專家系統(tǒng)所需的時間。

從表1可以看出，構(gòu)成專家系統(tǒng)并投入現(xiàn)場所需時間越來越短，序號1是使用C語言編制專家系統(tǒng)骨架(知識庫、推理機等)，不僅耗時間，且增添、修改不方便，可靠性也差，以后使用專家系統(tǒng)開發(fā)工具，就大大節(jié)省時間，且增添、修改也容易，可靠性也好，序列號2就是一例，規(guī)則千余條，前后修改3、4次，一次投運成功，達到預(yù)定目標(biāo)。以后由于對開發(fā)方法更為掌握，工藝知識更了解，接口、漢化等編程越來越熟悉，使用更先進的專家系統(tǒng)開發(fā)工具，采用面向用戶無需編程的專家系統(tǒng)開發(fā)工具(附有標(biāo)準(zhǔn)原程序，當(dāng)自行設(shè)計專用界面時，可用此剪貼)，故速度越來越快，總之開發(fā)一個專家系統(tǒng)，在掌握以后，就不是難事了。

硬件的選擇

○ 基礎(chǔ)自動化硬件的選擇。傳統(tǒng)的方法是使用PLC或DCS，對于大規(guī)模的系統(tǒng)，往往其電控部分采用PLC，而回路控制即過程量控制采用DCS，近年來由于PLC增強了回路控制的功能，同樣DCS也加強邏輯控制的功能，而彼此能互相覆蓋。為減少備件數(shù)量和便于連網(wǎng)，采用IE(I-儀表、E-電力傳動控制)設(shè)備一體化，即采用全PLC或全DCS構(gòu)成基礎(chǔ)自動化，一般認(rèn)為回路控制占主要的機組應(yīng)采用全DCS的解決方法，因為DCS針對回路控制的模塊多，使用方便，而邏輯控制占主要機組應(yīng)采用全PLC的解決方法。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，特別對低成本自動化而言，由于PLC比DCS要便宜(約低1/4以上)，而PLC用于回路控制的模塊和軟件雖然不及DCS完備，但已足夠使用，因為工業(yè)控制主要是使用PID、加、減、乘、除、開方等，筆者在設(shè)計上海梅山冶金公司的120立方米高爐自動化系統(tǒng)就是采用全PLC系統(tǒng)，執(zhí)行電控(DI,DO兩千多點)和儀測儀控(AI,AO約700點，控制回路約50)這樣的大規(guī)模功能，但價格比PLC+DCS方法低1/4以上。近年來，PLC生產(chǎn)商更設(shè)計適合于回路控制的但價格低的PLC，如德國西門子公司的PCS-7可編程序控制器，它采用價格較低的S7-300系列的I/O模塊，加強CPU的回路控制的功能。因此采用全PLC系統(tǒng)看來是低成本自動化的合適趨向，當(dāng)然，最終還應(yīng)從價格和其他因素綜合考慮。

近來，由于PC-based以工控機為基礎(chǔ))的發(fā)展，以工控機、I/O裝置、監(jiān)控器組成自動化系統(tǒng)，對大規(guī)模系統(tǒng)更加上網(wǎng)絡(luò)組成分布式系統(tǒng)，多級計算機系統(tǒng)，而且能夠雙機熱備和冗余配置。此外，還有許多公司從事支持軟件的工作，并已商品化，PC-based的基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)已在礦業(yè)、冶金、石油、機械、化工、水處理、醫(yī)藥、電子、食品、紡織、半導(dǎo)體等許多機組中應(yīng)用。

○ 過程自動化級硬件的選擇。傳統(tǒng)的方法是使用美國DEC公司的VAX型過程計算機或Alpha系列的小型機或其他公司生產(chǎn)的類似計算機作為核心組成過程自動化級，其硬件的價格，還有其系統(tǒng)軟件的價格均令人卻步，加以應(yīng)用軟件的編制也較為困難和價格高，而使人們懷疑對設(shè)置過程自動化級是否值得和有效。其實工控機的發(fā)展，其內(nèi)存和硬盤的容量、主頻即速度已足以滿足過程自動化級的要求，在歐洲電氣公司設(shè)計的自動化系統(tǒng)，其過程自動化級的硬件大多使用工控機，其實20多年前，即80年代世界上最著名的水泥設(shè)備的供應(yīng)商和制造商之一的，我國也早已引進多套(柳州水泥廠、珠江水泥廠等)的丹麥F.L.Smith公司的現(xiàn)代化的窯外分解式大型水泥廠的自動化系統(tǒng)已使用PC機來組成過程自動化級，使用三臺PC機，分別執(zhí)行過程監(jiān)控、筒體(水泥窯)溫度和配料數(shù)學(xué)模型運算與閉環(huán)控制。然而在大中型企業(yè)和機組，特別是鋼鐵工業(yè)及大多數(shù)設(shè)計者、使用部分仍積習(xí)難改而采用VAX或Alpha系列的計算機作為過程自動化級硬件。筆者在許多年前，在設(shè)計上海梅山冶金公司的1250立方米高爐自動化系統(tǒng)的過程自動化級的方案中，就是采用兩臺工控機實現(xiàn)訓(xùn)爐過程自動化級的功能，并已成功地運行多年。但不少人并不認(rèn)同使用PC機作為過程計算機，直到近幾年國外廣泛使用PC機作為過程計算機而大量降低價格，才使這些人改變看法。

德國SMS-DEMAG不銹鋼生產(chǎn)線三電自動化系統(tǒng)同時也是為寶鋼集團公司上海第一鋼鐵廠新建不銹鋼生產(chǎn)線的推薦系統(tǒng)。它包括超高功率電弧爐、AOD爐和VOD爐各一座，后配連鑄機(不包括在本系統(tǒng)內(nèi))，其過程自動化級包括4臺PC機(每臺設(shè)奔騰處理器，10GB硬盤，256MB內(nèi)存，CD-ROM驅(qū)動器，內(nèi)部鍵盤和鼠標(biāo)，系統(tǒng)總線接口板，軟件為Windows-NT)，分別作為中央數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、EAF(電弧爐)/AOD爐/VOD爐的過程計算機、開發(fā)試驗計算機和供主技術(shù)專家使用的計算機。其功能相當(dāng)復(fù)雜，包括電弧爐、AOD爐和VOD爐復(fù)雜數(shù)學(xué)模型及在線控制。系統(tǒng)的特點是無論操作員終端或過程計算機、OS服務(wù)器都全部使用PC機，系統(tǒng)軟件也是通用的，因而造價低廉，但功能強大。

似乎可以得出結(jié)論，即應(yīng)使用PC機來組成過程自動化；(3)管理自動化級硬件的選擇；5.3系統(tǒng)軟件的選擇；應(yīng)該選用通用和價格較低而具有良好性能的系統(tǒng)軟件，；5.4關(guān)于網(wǎng)絡(luò)；也有性能和價格問題，也會出現(xiàn)上述毛病，即往往使用；綜上所述，低成本自動化要考慮的問題很多，要認(rèn)真和；表1列出了幾個低成本自動化的例子；參考文獻：略；表1低成本自動化系統(tǒng)應(yīng)用舉例；

似乎可以得出結(jié)論，即應(yīng)使用PC機來組成過程自動化級來達到低成本自動化的目的。

○ 管理自動化級硬件的選擇。和過程自動化級同樣，管理自動化級也可以使用PC機來組成，文獻[1]提出的多級自動化系統(tǒng)就是一例，它已在某鋼鐵廠實施了，但由于是近20年設(shè)計的，受當(dāng)時PC機水帄所限，還只是MIS系統(tǒng)(信息管理系統(tǒng))，今天PC機的進展，完全可以實現(xiàn)CAD、CAT、CAM而實現(xiàn)CIM功能。

系統(tǒng)軟件的選擇

應(yīng)該選用通用和價格較低而具有良好性能的系統(tǒng)軟件，如Windows-NT、Visial Basic 6.0等。對于監(jiān)控軟件，往往由使用部門指定，例如要In Touch等。各種監(jiān)控軟件(如研華、組太王、Onspec、Synall、Citect等等)的功能和使用方法都大同小異，有些功能可能強一些、齊全一些、也許界面好看一些，但價格可能差別很大，而較豐富的功能未必用得上，故應(yīng)“綜合考慮、滿足要求即可、價格應(yīng)優(yōu)先”，事實上，一般數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，用Visial Basic 6.0完全可編制，許多軟件工作者都有這種積累，并沒有多花太大的力量但可低成本。

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)

也有性能和價格問題，也會出現(xiàn)上述毛病，即往往使用部門指定，例要現(xiàn)場總線等，這種無法選擇會導(dǎo)致不必要地使用了價格高昂的軟件，因此聽從專業(yè)人員的意見，因為各種總線和網(wǎng)絡(luò)價格也很不同，現(xiàn)場總線無疑有很多優(yōu)點，但不是任何場合都是最優(yōu)的，例如有一個自動化系統(tǒng)，由于邏輯順序控制點數(shù)很多，應(yīng)該使用PLC來組成分布式系統(tǒng)，但使用部門較熟識西門子公司的PLC，為便于維護和減少備件，希望使用西門子公司的PLC，也想使用現(xiàn)場總線，但比較價格與性能，西門子公司的Profieldbus的價格比之SINEC-H高得多，CPU也得專門的型號，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并無太大區(qū)別，現(xiàn)場總線能節(jié)約配線，在PLC使用遠程I/O后，能達到同樣效果。因此網(wǎng)絡(luò)選擇也應(yīng)“綜合考慮、滿足要求即可、價格應(yīng)優(yōu)先”。

綜上所述，低成本自動化要考慮的問題很多，要認(rèn)真和綜合考慮以及多方面配合才能達到